Các tác giả đã xem xét lại các thông số kỹ thuật của dự án điện mới nhiều lần, trong đó các nhà thiết kế nhà máy thường chọn thép không gỉ 304 hoặc 316 cho ống ngưng tụ và ống trao đổi nhiệt phụ. Đối với nhiều người, thuật ngữ thép không gỉ gợi lên một hào quang của sự ăn mòn bất khả chiến bại, trong khi thực tế, thép không gỉ đôi khi có thể là lựa chọn tồi tệ nhất vì chúng dễ bị ăn mòn cục bộ. Và, trong thời đại ngày nay khi nguồn nước ngọt để bổ sung nước làm mát ngày càng khan hiếm, cùng với các tháp giải nhiệt hoạt động ở chu kỳ nồng độ cao, các cơ chế hỏng hóc tiềm ẩn của thép không gỉ càng được phóng đại. Trong một số ứng dụng, thép không gỉ dòng 300 chỉ tồn tại trong nhiều tháng, đôi khi chỉ vài tuần, trước khi hỏng. Bài viết này tập trung vào ít nhất các vấn đề cần được xem xét khi lựa chọn vật liệu ống ngưng tụ theo quan điểm xử lý nước. Các yếu tố khác không được thảo luận trong bài báo này nhưng có vai trò trong việc lựa chọn vật liệu bao gồm độ bền vật liệu, đặc tính truyền nhiệt và khả năng chống lại các lực cơ học, bao gồm ăn mòn mỏi và xói mòn.
Việc thêm 12% hoặc nhiều hơn crom vào thép sẽ khiến hợp kim hình thành một lớp oxit liên tục bảo vệ kim loại cơ bản bên dưới. Do đó, có thuật ngữ thép không gỉ. Trong trường hợp không có các vật liệu hợp kim khác (đặc biệt là niken), thép cacbon là một phần của nhóm ferit và ô đơn vị của nó có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC).
Khi niken được thêm vào hỗn hợp hợp kim ở nồng độ 8% trở lên, ô sẽ tồn tại ở cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) gọi là austenit, ngay cả ở nhiệt độ môi trường.
Như thể hiện trong Bảng 1, thép không gỉ dòng 300 và các loại thép không gỉ khác có hàm lượng niken tạo ra cấu trúc austenit.
Thép austenit đã được chứng minh là rất có giá trị trong nhiều ứng dụng, bao gồm làm vật liệu cho ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại nhiệt độ cao trong nồi hơi điện. Đặc biệt, dòng 300 thường được sử dụng làm vật liệu cho ống trao đổi nhiệt nhiệt độ thấp, bao gồm cả bộ ngưng tụ bề mặt hơi. Tuy nhiên, trong những ứng dụng này, nhiều người thường bỏ qua các cơ chế hỏng hóc tiềm ẩn.
Khó khăn chính với thép không gỉ, đặc biệt là vật liệu phổ biến 304 và 316, là lớp oxit bảo vệ thường bị phá hủy bởi các tạp chất trong nước làm mát và bởi các khe hở và cặn bẩn giúp tập trung tạp chất. Ngoài ra, trong điều kiện ngừng hoạt động, nước đọng có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn, các sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn này có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho kim loại.
Một tạp chất phổ biến trong nước làm mát và là một trong những tạp chất khó loại bỏ nhất về mặt kinh tế là clorua. Ion này có thể gây ra nhiều vấn đề trong máy tạo hơi nước, nhưng trong bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt phụ, khó khăn chính là clorua ở nồng độ đủ cao có thể xâm nhập và phá hủy lớp oxit bảo vệ trên thép không gỉ, gây ra ăn mòn cục bộ, tức là rỗ.
Rỗ là một trong những dạng ăn mòn nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thủng tường và hỏng thiết bị mà không gây ra nhiều tổn thất kim loại.
Nồng độ clorua không cần phải quá cao mới gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ ở thép không gỉ 304 và 316, và đối với bề mặt sạch không có cặn hoặc khe hở, nồng độ clorua tối đa được khuyến nghị hiện nay được coi là:
Một số yếu tố có thể dễ dàng tạo ra nồng độ clorua vượt quá các hướng dẫn này, cả nói chung và tại các địa điểm cục bộ. Việc xem xét làm mát một lần đầu tiên cho các nhà máy điện mới đã trở nên rất hiếm. Hầu hết đều được xây dựng bằng tháp giải nhiệt hoặc trong một số trường hợp, bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí (ACC). Đối với những nhà máy có tháp giải nhiệt, nồng độ tạp chất trong mỹ phẩm có thể "tăng theo chu kỳ". Ví dụ, một cột có nồng độ clorua trong nước bổ sung là 50 mg/l hoạt động với năm chu kỳ nồng độ và hàm lượng clorua trong nước tuần hoàn là 250 mg/l. Chỉ riêng điều này nói chung sẽ loại trừ SS 304. Ngoài ra, trong các nhà máy mới và hiện có, nhu cầu thay thế nước ngọt để nạp lại cho nhà máy ngày càng tăng. Một giải pháp thay thế phổ biến là nước thải đô thị. Bảng 2 so sánh kết quả phân tích bốn nguồn cung cấp nước ngọt với bốn nguồn cung cấp nước thải.
Hãy cẩn thận với nồng độ clorua tăng cao (và các tạp chất khác, chẳng hạn như nitơ và phốt pho, có thể làm tăng đáng kể tình trạng nhiễm khuẩn trong hệ thống làm mát). Về cơ bản, đối với tất cả nước xám, bất kỳ quá trình lưu thông nào trong tháp giải nhiệt cũng sẽ vượt quá giới hạn clorua được khuyến nghị bởi thép không gỉ 316.
Thảo luận trước đó dựa trên khả năng ăn mòn của các bề mặt kim loại thông thường. Các vết nứt và trầm tích làm thay đổi đáng kể câu chuyện, vì cả hai đều là nơi tạp chất có thể tập trung. Một vị trí điển hình cho các vết nứt cơ học trong bộ ngưng tụ và các bộ trao đổi nhiệt tương tự là tại các mối nối giữa các tấm ống với nhau. Trầm tích bên trong ống có thể tạo ra các vết nứt tại ranh giới trầm tích và bản thân trầm tích có thể trở thành nơi bị ô nhiễm. Hơn nữa, vì thép không gỉ dựa vào lớp oxit liên tục để bảo vệ nên các chất lắng đọng có thể hình thành các vị trí nghèo oxy biến bề mặt thép còn lại thành anot.
Bài thảo luận trên nêu ra những vấn đề mà các nhà thiết kế nhà máy thường không cân nhắc khi chỉ định vật liệu ống trao đổi nhiệt phụ và ngưng tụ cho các dự án mới. Đôi khi, quan niệm về thép không gỉ 304 và 316 dường như vẫn là "đó là những gì chúng tôi vẫn luôn làm" mà không cân nhắc đến hậu quả của những hành động như vậy. Có những vật liệu thay thế để xử lý các điều kiện nước làm mát khắc nghiệt hơn mà nhiều nhà máy hiện đang phải đối mặt.
Trước khi thảo luận về các kim loại thay thế, chúng ta cần nêu ngắn gọn một điểm. Trong nhiều trường hợp, thép không gỉ 316 hoặc thậm chí là thép không gỉ 304 hoạt động tốt trong quá trình vận hành bình thường, nhưng lại hỏng khi mất điện. Trong hầu hết các trường hợp, hỏng hóc là do hệ thống thoát nước của bộ ngưng tụ hoặc bộ trao đổi nhiệt kém khiến nước ứ đọng trong các ống. Môi trường này tạo điều kiện lý tưởng cho vi sinh vật phát triển. Đến lượt mình, các khuẩn lạc vi khuẩn tạo ra các hợp chất ăn mòn ăn mòn trực tiếp kim loại hình ống.
Cơ chế này, được gọi là ăn mòn do vi khuẩn gây ra (MIC), được biết là có thể phá hủy các ống thép không gỉ và các kim loại khác trong vòng vài tuần. Nếu không thể xả hết bộ trao đổi nhiệt, cần cân nhắc nghiêm túc đến việc tuần hoàn nước định kỳ qua bộ trao đổi nhiệt và thêm chất diệt khuẩn trong quá trình này. (Để biết thêm chi tiết về quy trình xếp lớp thích hợp, hãy xem D. Janikowski, “Xếp lớp bộ ngưng tụ và bộ trao đổi BOP – Những cân nhắc”; được tổ chức từ ngày 4 đến ngày 6 tháng 6 năm 2019 tại Champaign, IL. Trình bày tại Hội nghị chuyên đề về hóa học tiện ích điện lần thứ 39.)
Đối với các môi trường khắc nghiệt được nêu ở trên, cũng như các môi trường khắc nghiệt hơn như nước lợ hoặc nước biển, có thể sử dụng các kim loại thay thế để ngăn chặn tạp chất. Ba nhóm hợp kim đã chứng minh được tính hiệu quả, titan tinh khiết về mặt thương mại, thép không gỉ austenit molypden 6% và thép không gỉ siêu ferritic. Các hợp kim này cũng có khả năng chống MIC. Mặc dù titan được coi là rất chống ăn mòn, nhưng cấu trúc tinh thể lục giác đóng gói chặt chẽ và mô đun đàn hồi cực thấp khiến nó dễ bị hư hỏng cơ học. Hợp kim này phù hợp nhất cho các công trình lắp đặt mới có cấu trúc hỗ trợ ống chắc chắn. Một giải pháp thay thế tuyệt vời là thép không gỉ siêu ferritic Sea-Cure®. Thành phần của vật liệu này được hiển thị bên dưới.
Thép này có hàm lượng crom cao nhưng hàm lượng niken thấp, do đó nó là thép không gỉ ferritic chứ không phải thép không gỉ austenitic. Do hàm lượng niken thấp nên giá thành của nó thấp hơn nhiều so với các hợp kim khác. Độ bền cao và mô đun đàn hồi của Sea-Cure giúp tạo ra thành mỏng hơn các vật liệu khác, giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt.
Các đặc tính nâng cao của những kim loại này được thể hiện trên biểu đồ “Số tương đương khả năng chống rỗ”, đúng như tên gọi, đây là một quy trình thử nghiệm được sử dụng để xác định khả năng chống ăn mòn rỗ của nhiều kim loại khác nhau.
Một trong những câu hỏi phổ biến nhất là "Hàm lượng clorua tối đa mà một loại thép không gỉ cụ thể có thể chịu được là bao nhiêu?" Câu trả lời rất khác nhau. Các yếu tố bao gồm độ pH, nhiệt độ, sự hiện diện và loại vết nứt, và khả năng có các loài sinh học hoạt động. Một công cụ đã được thêm vào trục bên phải của Hình 5 để hỗ trợ cho quyết định này. Công cụ này dựa trên độ pH trung tính, nước chảy 35°C thường thấy trong nhiều ứng dụng BOP và ngưng tụ (để ngăn ngừa sự hình thành cặn và hình thành vết nứt). Khi đã chọn được hợp kim có thành phần hóa học cụ thể, có thể xác định PREn và sau đó giao với đường chéo thích hợp. Sau đó, có thể xác định mức clorua tối đa được khuyến nghị bằng cách vẽ một đường ngang trên trục bên phải. Nói chung, nếu một hợp kim được xem xét cho các ứng dụng nước lợ hoặc nước biển, thì hợp kim đó cần có CCT trên 25 độ C khi đo bằng thử nghiệm G ​​48.
Rõ ràng là hợp kim siêu ferritic do Sea-Cure® đại diện thường phù hợp ngay cả với các ứng dụng trong nước biển. Có một lợi ích khác của những vật liệu này cần được nhấn mạnh. Các vấn đề ăn mòn mangan đã được quan sát thấy đối với thép không gỉ 304 và 316 trong nhiều năm, bao gồm cả tại các nhà máy dọc theo Sông Ohio. Gần đây, các bộ trao đổi nhiệt tại các nhà máy dọc theo Sông Mississippi và Missouri đã bị tấn công. Ăn mòn mangan cũng là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống bổ sung nước giếng. Cơ chế ăn mòn đã được xác định là mangan dioxide (MnO2) phản ứng với chất diệt khuẩn oxy hóa để tạo ra axit clohydric dưới lớp trầm tích. HCl mới là chất thực sự tấn công kim loại. [WH Dickinson và RW Pick, "Ăn mòn phụ thuộc vào mangan trong ngành điện"; trình bày tại Hội nghị ăn mòn thường niên NACE năm 2002, Denver, CO.] Thép ferit có khả năng chống lại cơ chế ăn mòn này.
Việc lựa chọn vật liệu cấp cao hơn cho ống ngưng tụ và trao đổi nhiệt vẫn không thay thế được việc kiểm soát hóa học xử lý nước thích hợp. Như tác giả Buecker đã nêu trong một bài báo về kỹ thuật điện trước đây, một chương trình xử lý hóa học được thiết kế và vận hành đúng cách là cần thiết để giảm thiểu khả năng đóng cặn, ăn mòn và bám bẩn. Hóa học polyme đang nổi lên như một giải pháp thay thế mạnh mẽ cho hóa học phosphate/phosphonate cũ để kiểm soát ăn mòn và đóng cặn trong các hệ thống tháp giải nhiệt. Kiểm soát ô nhiễm vi khuẩn đã và sẽ tiếp tục là một vấn đề quan trọng. Trong khi hóa học oxy hóa với clo, thuốc tẩy hoặc các hợp chất tương tự là nền tảng của việc kiểm soát vi khuẩn, thì các phương pháp xử lý bổ sung thường có thể cải thiện hiệu quả của các chương trình xử lý. Một ví dụ như vậy là hóa học ổn định, giúp tăng tốc độ giải phóng và hiệu quả của thuốc diệt khuẩn oxy hóa gốc clo mà không đưa bất kỳ hợp chất có hại nào vào nước. Ngoài ra, việc bổ sung thức ăn bằng thuốc diệt nấm không oxy hóa có thể rất có lợi trong việc kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn. Kết quả là có nhiều cách để cải thiện tính bền vững và độ tin cậy của bộ trao đổi nhiệt nhà máy điện, nhưng mỗi hệ thống lại khác nhau, vì vậy việc lập kế hoạch cẩn thận và tham khảo ý kiến ​​của các chuyên gia trong ngành là rất quan trọng để lựa chọn vật liệu và quy trình hóa học. Phần lớn bài viết này được viết theo góc nhìn xử lý nước, chúng tôi không tham gia vào các quyết định về vật liệu, nhưng chúng tôi được yêu cầu giúp quản lý tác động của những quyết định đó sau khi thiết bị đã hoạt động. Quyết định cuối cùng về việc lựa chọn vật liệu phải được nhân viên nhà máy đưa ra dựa trên một số yếu tố được chỉ định cho từng ứng dụng.
Về tác giả: Brad Buecker là Chuyên viên quan hệ công chúng kỹ thuật cao cấp tại ChemTreat. Ông có 36 năm kinh nghiệm trong hoặc liên kết với ngành điện, phần lớn trong lĩnh vực hóa học tạo hơi nước, xử lý nước, kiểm soát chất lượng không khí và tại City Water, Light & Power (Springfield, IL) và Kansas City Power & Light Company có trụ sở tại La Cygne Station, Kansas. Ông cũng đã có hai năm làm giám sát viên nước/nước thải tại một nhà máy hóa chất. Buecker có bằng Cử nhân Hóa học từ Đại học Tiểu bang Iowa với các khóa học bổ sung về Cơ học chất lưu, Cân bằng năng lượng và vật liệu và Hóa học vô cơ nâng cao.
Dan Janikowski là Trưởng phòng Kỹ thuật tại Plymouth Tube. Trong 35 năm, ông đã tham gia vào việc phát triển kim loại, sản xuất và thử nghiệm các sản phẩm ống bao gồm hợp kim đồng, thép không gỉ, hợp kim niken, titan và thép cacbon. Làm việc tại Plymouth Metro từ năm 2005, Janikowski đã giữ nhiều vị trí cấp cao khác nhau trước khi trở thành Trưởng phòng Kỹ thuật vào năm 2010.